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重大险情!院士披露嫦娥四号曾遇燃料泄漏,它是如何起死回生的?

  2018年的嫦娥四号是一次非常成功的探月任务,它实现了月球背面的软着陆和巡视漫游,着陆器和玉兔二号月球车至今仍在工作,获得了大量珍贵数据,引起了全世界的轰动。嫦娥四号工程也因此荣获2020年的国家科学技术进步特等奖。
  嫦娥四号着陆器
  然而,这个特等奖的背后却有着惊心动魄的故事!著名航天专家叶培建院士最近披露,嫦娥四号在发射后当天就遇到了重大险情:燃料发生了严重泄漏,剩余的燃料已经不足以按原计划实施月球着陆,情况万分危急!为什么嫦娥四号会遇到这么严重的麻烦,后来又是怎么解决的呢?
  现在人们很推崇实现了取样返回的嫦娥五号,但2018年发射的嫦娥四号其实也是个极具雄心的项目。它要完成在月球背面的软着陆,这可不是个简单的事情。探月是航天界的高级活儿,全世界成功实现月球软着陆的,直到现在也只是俄罗斯(苏联时期)、美国和中国三家。就连把牛皮吹到上天的印度,也只是完成了硬(坠)着(毁)陆(了)而已。
  玉兔二号巡视器
  而印度就算是硬着陆也是在月球正面,这是月球面向我们的一面。由于月球被地球潮汐锁定,它一直以同一个面对着地球,所以地面上的人无论何时看月亮,它表面的阴影图案都一样,被称为月球正面。
  而另一边的月球背面则永远无法在地球上观察,那里的航天器也不能与地球直接进行无线电联系,可以想象从月球背面着陆有多难。实际上,在我国之前,还没有任何一个国家实现过月背软着陆!
  为了完成这一壮举,我国在2018年5月21日先行发射了一颗月球中继卫星"鹊桥"号,它长期稳定运行在地月引力平衡点L2附近的Halo轨道,既能联络地球又能看到月球背面,成为地月通讯和数据中转站。有了中继卫星,嫦娥四号才能在被完全遮挡的月球背面实现与地球的通信。
  "鹊桥"中继卫星
  即使如此,嫦娥四号的奔月之路仍然充满挑战,它的计划是在发射后进入地月转移轨道,在接近月球后实施近月制动,进入100km 100km的圆形环月轨道运行18天,再降轨至100km 15km运行4天,然后才依靠强大的7500N变推力发动机实施动力下降,最终实现在月球背面的软着陆。
  嫦娥四号原定的轨道方案
  2018年12月8日,长征三号乙火箭和嫦娥四号发射,火箭圆满完成了自己的任务,将探测器送入了地月转移轨道。但就在发射后6个多小时,发生了令人把心提到噪子眼的事件:探测器燃料发生了严重泄漏,时间长达20秒,损失的燃料达到了一二十千克,此时就算把各个阶段所有预留的燃料都拿出来弥补,竟还有10千克的缺口!
  如果重大的项目出现了这样的险情,让人倒抽了一口冷气,相信当时在场的没有一个能轻松,因为这意味着嫦娥四号已经走到了失败的边缘,一旦处理不好,前期的所有努力就都付诸东流了。怎么办?只能另辟蹊径,想办法节省燃料。
  嫦娥四号发射
  据北京航天飞行控制中心所著的《月背征途》一书介绍,现场有专家建议从探测器落月的动力下降阶段抠出10千克,补充到前期飞行过程中,但遭到了测控通信系统总指挥的坚决反对:"动力下降关系落月安全,别说10千克了,就是1克也不能抠!"
  这条路走不通,只能再想其它办法,比较可行的方式就是改变既定的飞行轨道,重新规划一条新路径,达到节省燃料的目的。经过几天通宵达旦的奋战,轨道专家组不断推敲和优化,终于拿出了一套精确成熟的轨道重构方案,嫦娥四号又看到了曙光!
  方案具体是这样的:首先取消了7500N变推力发动机的推力标定。7500N发动机推力很大,是实现近月制动和软着陆的关键动力,原计划在地月转移过程中对它进行推力标定,以实现精确落月,这一步需要消耗不少燃料。取消推力标定,原来不够的那些燃料就省出来了。
  位于着陆器底部的7500N变推力发动机
  但不进行标定,7500N发动机的推力评估就会不准,有可能偏差较大。在这种情况下如果仍按原计划实施近月制动,进入100km 100km的圆轨道,有一定概率会直接撞到月球。为了避免这一险境,近月制动后将首先进入100km 430km的椭圆轨道,修正偏差后再下降到100km 100km轨道。
  这个计划看起来相当完美,但专家组还是提出了一个疑问:嫦娥四号共有4个燃料箱,每一侧有两个,装的分别是燃烧剂和氧化剂。之前的燃料意外泄漏事故恰好发生在其中一侧,泄漏的是燃烧剂,这样就造成了两边质量的不平衡,探测器重心发生偏移,从而产生了较大干扰力矩,影响落月安全性。
  幸好这个难题也没能难倒航天专家,他们又想出了好主意:将修正到圆轨道的过程分为两步,第一次先由100km 430km降到100km 260km,第二次再降到100km 100km,在两次降轨过程中,均使用探测器同一侧的燃料,调整探测器的重心。既实现了轨道修正,又解决了干扰力矩的问题,一石二鸟!
  嫦娥四号正在动力下降
  所有问题都解决了,马上照此执行!结果也证明了专家们计算得非常准确,嫦娥四号成功完成近月制动,再经三次变轨进入了100km 15km的轨道,然后又经历了最关键和惊险的动力下降阶段,最终精确降落在月球背面的冯·卡门撞击抗,成为世界上第一个实现在月球背面软着陆的国家!
  着陆成功的那一刻,嫦娥四号项目执行总监张熇激动地掩面而泣,叶培建院士走到她身边拍了拍她的肩膀说:"辛苦了,不容易!",并握住了她的手,因此留下了一张著名的照片。相信看过照片的绝大多数人都不知道这里面的内情。
  叶培建院士与张熇握手
  如今,嫦娥四号着陆器和玉兔二号巡视器已经在月背工作超过1000天,所获数据引来各国羡慕,这些成就应归功于临危不惧,不轻言放弃的航天人!

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